黃 良，曾華榮，陳沛龍(貴州電力試驗(yàn)研究院，貴陽 550002)

0 引 言

電力設(shè)備是一類大型復(fù)雜系統(tǒng)，因此電力協(xié)同仿真設(shè)計(jì)越來越普及，然而隨著仿真系統(tǒng)的要求越來越高，設(shè)備模型的復(fù)雜度與精度越來越高，分布式站點(diǎn)中的模型傳輸開始成為電力協(xié)同仿真設(shè)計(jì)系統(tǒng)的一個(gè)瓶頸，然而目前極少有研究涉及分布式站點(diǎn)中的三維模型的快速共享問題。

在工業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中，為了保證協(xié)同設(shè)計(jì)效率，提高三維模型的傳輸速率，很多CAD模型轉(zhuǎn)換為三維面片模型，并且 通過降低模型面片數(shù)來降低傳輸模型的數(shù)據(jù)量[1]， 這種方法雖然在一定程度上提高了三維模型的傳輸效率，然而轉(zhuǎn)換后的模型無法進(jìn)行進(jìn)一步編輯，而且模型的精度大大降低，嚴(yán)重影響了協(xié)同仿真設(shè)計(jì)的效果。為了提高模型的傳輸效率，多分辨率特征CAD模型作為更加有效的方法被用于三維模型共享[2,3]。多分辨率特征CAD模型是由Koo與Lee[4]最早提出的，即將特征模型按照其特征層次進(jìn)行劃分，然后根據(jù)需要將不同層次的特征模型進(jìn)行傳輸，這樣可以大大提高模型傳輸效率，同時(shí)也可以對(duì)模型敏感信息進(jìn)行一定程度的保護(hù)。

在協(xié)同設(shè)計(jì)中，三維模型的共享與傳輸存在各種各樣的情況，不同的情況對(duì)應(yīng)著特殊的需求，因此各種對(duì)應(yīng)方法也被相應(yīng)提出。在電力協(xié)同仿真設(shè)計(jì)中，如何正確而且快速的傳輸模型到指定站點(diǎn)以保證仿真實(shí)時(shí)性與效果是誠待解決的關(guān)鍵問題。由于三維模型數(shù)據(jù)間的約束關(guān)系(例如不同子模型間的依賴關(guān)系)，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中數(shù)據(jù)快速路由方法并不能直接應(yīng)用該問題[5]。因此本文提出了一種電力協(xié)同仿真設(shè)計(jì)中三維模型點(diǎn)對(duì)點(diǎn)分層快速調(diào)度算法，該方法通過對(duì)組成設(shè)備的各個(gè)子模型間按照其依賴關(guān)系進(jìn)行層次劃分，當(dāng)某站點(diǎn)對(duì)于某個(gè)三維模型提出請(qǐng)求后，系統(tǒng)將根據(jù)相應(yīng)層次關(guān)系以及各個(gè)站點(diǎn)中保存的該三維模型子模型的情況進(jìn)行最優(yōu)傳輸路徑規(guī)劃，使得該模型能夠在最短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行分布式傳輸。

1 三維模型點(diǎn)對(duì)點(diǎn)分層快速調(diào)度算法

在電力協(xié)同仿真設(shè)計(jì)中，隨著設(shè)計(jì)過程的推移，很多站點(diǎn)都保存有一定量的局部三維模型，而且這些局部三維模型在一定程度存在重疊。因此，為了實(shí)現(xiàn)某站點(diǎn)對(duì)某局部三維模型的快速調(diào)度，如果能夠從最近站點(diǎn)獲取越多的子模型數(shù)據(jù)，則能夠越快的實(shí)現(xiàn)局部三維模型傳輸，然而由于不同子模型之間存在復(fù)雜依賴關(guān)系，因此傳輸路徑與傳輸站點(diǎn)必須進(jìn)行最優(yōu)規(guī)劃。

1.1 三維模型點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸

圖1顯示了在電力協(xié)同仿真設(shè)計(jì)過程中，局部三維模型傳輸情況，即根據(jù)各個(gè)站點(diǎn)的不同需求，不同站點(diǎn)中保存有設(shè)備模型的不同局部三維模型。因此在此情況下，當(dāng)某個(gè)站點(diǎn)對(duì)于設(shè)備模型的某個(gè)局部三維模型進(jìn)行請(qǐng)求時(shí)，可以從該模型的初始生成站點(diǎn)獲取，也可以從不同的站點(diǎn)通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式獲取該局部三維模型的不同子模型，然后在本地站點(diǎn)進(jìn)行重新組裝而成。當(dāng)站點(diǎn)數(shù)越多，而且分布越遠(yuǎn)的情況下，后一種方式就越能夠體現(xiàn)其優(yōu)越性。

如圖1所示，隨著協(xié)同仿真設(shè)計(jì)的進(jìn)行，不同站點(diǎn)分別獲取了該模型不同局部三維模型。

1.2 三維模型的分布式傳輸

在協(xié)同仿真設(shè)計(jì)中，不同站點(diǎn)根據(jù)設(shè)計(jì)需求，會(huì)對(duì)三維模型的不同局部有需求。因此在設(shè)計(jì)過程中，不同的設(shè)計(jì)人員會(huì)根據(jù)需求訪問模型的不同區(qū)域。將模型按照其最小子模型進(jìn)行表示，然后根據(jù)子模型間的依賴關(guān)系，生成該模型的多層次模型。當(dāng)某站點(diǎn)提出需求時(shí)，根據(jù)其角色及負(fù)責(zé)任務(wù)，發(fā)生相關(guān)的子模型表示文件，這些子模型按照其層次關(guān)系自上而下進(jìn)行傳輸，而在請(qǐng)求站點(diǎn)，根據(jù)這些子模型文件以及各個(gè)子模型間次結(jié)構(gòu)自上而下進(jìn)行重建與裝配，最終在本站的生成需要的局部三維模型。這樣的好處是傳輸?shù)氖亲幽Ｐ捅硎疚募悄Ｐ捅旧?，這些表示文件數(shù)據(jù)量將遠(yuǎn)小于相應(yīng)的面片模型，這樣會(huì)大大降低網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量。

圖1 多分辨率模型數(shù)據(jù)流傳輸

1.2.1問題形式化分析

假設(shè)當(dāng)前電力協(xié)同仿真設(shè)計(jì)環(huán)境中具有m個(gè)站點(diǎn)Peer={P1,P2,P3,…,Pm}，如圖2所示， 而且每個(gè)站點(diǎn)作為一個(gè)三維模型的傳輸站點(diǎn)。請(qǐng)求模型由n個(gè)子模型構(gòu)成F={F1,F2, …,Fm}。P1是整個(gè)協(xié)同仿真設(shè)計(jì)任務(wù)的管理者，而且具有三維模型的完整數(shù)據(jù)以及模型處理的最高權(quán)限。而其他站點(diǎn)要么不具有任何三維模型數(shù)據(jù)或者只保存有局部三維模型。為了簡化起見，假設(shè)該協(xié)同仿真設(shè)計(jì)環(huán)境中各個(gè)站點(diǎn)的計(jì)算機(jī)計(jì)算能力相同，而不同站點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)帶寬根據(jù)具體情況有所不同，不同站點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度可以表示為S={S1,S2, …,Sm}，每個(gè)站點(diǎn)傳輸一個(gè)子單元的時(shí)間為T={t1,t2, …,tm}。網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)站點(diǎn)Pi與Pj之間，min(Si,Sj)越小表示兩站的間傳輸速度越高。表1表示一個(gè)具有5個(gè)站點(diǎn)的協(xié)同仿真設(shè)計(jì)環(huán)境參數(shù)，其網(wǎng)絡(luò)連接拓?fù)鋱D如圖2所示。整個(gè)三維模型是由11子模型分布式構(gòu)成，如圖3所示。最優(yōu)的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)劃能夠保證局部三維模型能夠快速的傳輸給目標(biāo)站點(diǎn)，因此可以認(rèn)為，具有最短傳輸時(shí)間的局部三維模型傳輸規(guī)劃即為最優(yōu)的傳輸規(guī)劃。

表1 協(xié)同環(huán)境參數(shù)值

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖3 模型結(jié)構(gòu)

1.2.2傳輸路徑最優(yōu)規(guī)劃

為了實(shí)現(xiàn)三維模型的傳輸時(shí)間最短，本文提出一個(gè)結(jié)合戴克斯特拉算法與啟發(fā)式規(guī)則的傳輸路徑最優(yōu)規(guī)劃算法。戴克斯特拉算法用于計(jì)算最小生成樹(Minimal Spanning Tree，MST)。圖4顯示了上述5個(gè)站點(diǎn)協(xié)同仿真設(shè)計(jì)環(huán)境中的最小生成樹，該生成樹中P1為根節(jié)點(diǎn)，該站點(diǎn)提供了需要進(jìn)行共享的三維模型數(shù)據(jù)。在MST，顯示了不同站點(diǎn)間的傳輸路徑，其中粗線條表示了最短傳輸路徑。在MST中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能為根節(jié)點(diǎn)、葉子節(jié)點(diǎn)或者中間節(jié)點(diǎn)三種類型(如表2所示)，根據(jù)某節(jié)點(diǎn)的上下游節(jié)點(diǎn)數(shù)目，所有的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)如表3所示。

圖4 MST(最小生成樹)

表2 節(jié)點(diǎn)類型表

表3 MST中的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)表

在MST中，除了根節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)無論是哪種類型，都作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)。而中轉(zhuǎn)任務(wù)即將數(shù)據(jù)從上游接收然后傳輸給下游節(jié)點(diǎn)。在傳輸過程中根節(jié)點(diǎn)同時(shí)向所有的下游節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)；對(duì)于任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)，一旦接收到數(shù)據(jù)，立即將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給下游節(jié)點(diǎn)；如果有多個(gè)下游節(jié)點(diǎn)存在，則數(shù)據(jù)將同時(shí)發(fā)送給所有下游節(jié)點(diǎn)。

1.3 三維模型的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)分層優(yōu)化傳輸

對(duì)于模型請(qǐng)求站點(diǎn)而言，必須要將從各個(gè)站點(diǎn)傳輸來的模型文件數(shù)據(jù)進(jìn)行重新創(chuàng)建與裝配。因此在協(xié)同仿真設(shè)計(jì)中，除了能夠?qū)崿F(xiàn)三維模型的快速調(diào)度之外，還存在以下兩種情況。(1) 在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸過程中，由于某些原因，根節(jié)點(diǎn)中斷與網(wǎng)絡(luò)的連接，此時(shí)每個(gè)站點(diǎn)已經(jīng)接收到部分或者全部三維模型數(shù)據(jù)，當(dāng)某個(gè)站點(diǎn)需要獲取某個(gè)局部三維模型時(shí)，可以立刻通過其他站點(diǎn)獲取。(2) 當(dāng)中央服務(wù)器系統(tǒng)崩潰時(shí)，其數(shù)據(jù)可以通過其他站點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)。由于三維模型內(nèi)子模型關(guān)系的復(fù)雜性，子模型從哪個(gè)站點(diǎn)接收，通過哪個(gè)路徑傳輸?shù)葐栴}成為關(guān)鍵問題。

1.3.1問題形式化分析

假設(shè)(不失一般性)所有站點(diǎn)的情況均相同。當(dāng)某個(gè)需求站點(diǎn)請(qǐng)求某個(gè)局部三維模型時(shí)，不同的站點(diǎn)將根據(jù)本站點(diǎn)中保存的局部三維模型數(shù)據(jù)為該站點(diǎn)提供相應(yīng)的局部子模型數(shù)據(jù)。表4給出了一個(gè)5站點(diǎn)系統(tǒng)中的模型傳輸速度的測試數(shù)據(jù)，假設(shè)該需求站點(diǎn)從其他站點(diǎn)請(qǐng)求一個(gè)完整模型(如圖3)。

表4 模型接收環(huán)境條件

局部三維模型接收算法同樣基于戴克斯特拉算法與啟發(fā)式規(guī)則，通過MST計(jì)算出每個(gè)站點(diǎn)與需求站點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，以及其對(duì)應(yīng)路由。表5顯示了該5站點(diǎn)系統(tǒng)中的所有路由。該路由保證了任何站點(diǎn)到達(dá)目標(biāo)需求站點(diǎn)所需要時(shí)間是最短的。

表5 MST路徑表(最小生成樹路徑表)

根據(jù)三維模型中子模型的依賴關(guān)系，可以生成相應(yīng)層次模型，如圖5所示。為了保證模型傳輸時(shí)間最短，模型接收路徑必須遵循以下規(guī)則：① 為了保證模型的正確性，所有子模型的到達(dá)次序必須遵循三維模型的層次結(jié)構(gòu)自上而下進(jìn)行。② 對(duì)于每個(gè)子模型而言，每次選擇到達(dá)時(shí)間最短的路徑。③將同一站點(diǎn)中的多個(gè)傳輸任務(wù)合并為一個(gè)傳輸任務(wù)?；谏鲜鲆?guī)則，5站點(diǎn)系統(tǒng)中的局部模型接收參數(shù)如表6所示。最終的三維模型接收規(guī)劃，代碼如下：

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表6 模型接收參數(shù)表

1.3.2局部三維模型接收算法

局部模型接收算法依賴樹見圖5。

圖5 局部模型依賴樹

3 結(jié) 語

本文針對(duì)電力協(xié)同仿真設(shè)計(jì)中，三維模型數(shù)據(jù)量過大的問題，以及子模型間存在復(fù)雜依賴關(guān)系的特殊性，提出了一種電力協(xié)同仿真設(shè)計(jì)中三維模型點(diǎn)對(duì)點(diǎn)分層快速調(diào)度算法，基于該算法，三維模型的傳輸不再是從某個(gè)源站點(diǎn)發(fā)往某個(gè)需求站點(diǎn)，而是根據(jù)系統(tǒng)中不同站點(diǎn)中保存的局部三維模型的情況，計(jì)算出最優(yōu)的模型傳輸路徑，并制定最優(yōu)的子模型接收規(guī)劃，在保證目標(biāo)三維模型正確性的前提下實(shí)現(xiàn)三維模型的最短傳輸時(shí)間。

該方法有效地解決了電力協(xié)同仿真設(shè)計(jì)中模型數(shù)據(jù)傳輸速率低下以及效果不理想的問題，對(duì)實(shí)時(shí)仿真提供了有效保障。下一步研究目標(biāo)為如何進(jìn)一步加強(qiáng)子模型的并行傳輸，從而進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸率，為以后高精度電力設(shè)備模型傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性提供技術(shù)支持。

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[1] M Eck, T DeRose, T Duchamp, et al. Multi-resolution analysis of arbitrary meshes[J]. ACM SIGGRAPH, 1995:173-182.

[2] 鄒萬紅,陳志楊,潘 翔,等. 多分辨率層次點(diǎn)模型分片[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2008,1(20):1-5.

[3] K C Kim, S B Yoo. Collaborative design by sharing multiple-level encryption files[J]. Concurrent Engineering, 2014,22(1):29-37.

[4] S H Lee, K Lee. Simultaneous and incremental feature based multi-resolution modeling with feature operations in part design[J]. Computer-Aided Design, 2012,44(5):457-483.

[5] 楊必勝，李清泉，龔健雅. 一種快速生成和傳輸多分辨率三維模型的穩(wěn)健算法[J].科學(xué)通報(bào)，2006,13(51):1 589-1 594.